Способ обработки заготовок

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК, включающий нагрев заготовок в контейнере с формообразующим элементом, имеющими коэффициент линейного расширения меньше, чем у заготовки, отличающийся тем, что, с целью обеспечения изготовления деталей сложной конфигурации, в контейнер дополнительно помещают по крайней мере одно рабочее тело, изготовленное из материала с коэффициентом линейного расширения, превышающим коэффициент линейного расширения контейнера и формообразующего элемента, а объем рабочего тела определяют по формуле
V_р.т= ,
где V_р.т - объем рабочего тела, необходимый для получения требуемой величины формообразования, мм³;
V_п - объем пустот формообразующего элемента, мм³;
V_з - объем заготовки, мм³;
t - температура нагрева, ^oС;
_з , _p.т, _к.ф - коэффициенты линейного расширения соответственно заготовки рабочего тела и контейнера с формообразующим элементом, ^oС^-1.

Изобретение относится к области обработки изделий, может быть использовано при термообработке заготовок, например, из алюминиевых сплавов с одновременным формообразованием из заготовки детали.
В настоящее время известен способ обработки заготовок, преимущественно из алюминиевых сплавов с одновременным формообразованием из заготовки детали, при осуществлении которого в контейнер перед нагревом вместе с заготовкой помещают формообразующий элемент, который, как и контейнер, изготавливают из материала с меньшим, чем у заготовки, коэффициентом линейного расширения.
Недостатком известного способа является то, что он позволяет производить в ходе термообработки формообразование детали в объеме, ограниченном размерами заготовки и формообразующего элемента и разностью величин коэффициентов их линейного расширения.
Целью изобретения является обеспечение возможности изготовления деталей сложной конфигурации.
Цель достигается тем, что в процессе нагрева заготовок в контейнере с формообразующим элементом, имеющим коэффициент линейного расширения меньше, чем у заготовки, в контейнер дополнительно помещают по крайней мере одно рабочее тело, изготовленное из материала с коэффициентом линейного расширения, превышающим коэффициенты линейного расширения контейнера и формообразующего элемента.
При этом объем рабочего тела определяют по формуле
V_рт= где V_р.т - объем рабочего тела, необходимый для получения требуемой величины формообразования, в мм³;
V_п - объем пустот формообразующего элемента в мм³;
V_з - объем заготовки в мм³;
t - температура нагрева при термообработке в С^о;
_з, _p.т., _к.ф. - коэффициент линейного расширения соответственно заготовки, рабочего тела и контейнера с формообразующим элементом в 1/^оС.
Предложенный способ поясняется чертежом.
В контейнер 1 помещают рабочее тело 2 в виде цилиндра, а заготовку 3 и формообразующий элемент 4, который образует в месте контакта с заготовкой ряд свободных полостей 5, и закрывают крышкой (см. рисунок). При этом контейнер и формообразующий элемент изготавливают по габаритным размерам заготовки и рабочего тела, причем последнее выполняют из материала с коэффициентом линейного расширения, превышающим коэффициенты линейного расширения контейнера и формообразующего элемента.
Предварительно при заданном объеме требуемого формообразования (объем полостей 5) и температуре обработки по приведенной выше расчетной формуле определяют необходимый объем рабочего тела.
Затем контейнер с содержимым подвергают нагреву до заданной температуры обработки, при достижении которой заготовка 3 за счет расширения рабочего тела 2, создающего благодаря этому необходимое давление, подвергается пластической деформации и полностью заполняет пустоты 5 формообразующего элемента 4, принимая заданную конфигурацию. При этом одновременно происходит термическая обработка заготовки и рабочего тела и их поверхностное упрочнение.
После охлаждения контейнера и извлечения формообразованной детали процесс может быть повторен для обработки следующей заготовки.
Объем внутренней полости контейнера (V _к.вн) в холодном состоянии без учета допусков на изготовление равен сумме объемов рабочего тела (V_р.т), заготовки (V_з), формообразующего элемента (Vф) и свободных полостей (V_п), заполняемых заготовкой в процессе термообработки за счет сопутствующего эффекта формообразования.
Таким образом, объем внутренней полости контейнера определяется из соотношения:
V_к.вн = V_р.т + V_з + V_ф + V_п .
Толщины стенок контейнера выбирают из условия сохранения им прочности и практического отсутствия деформаций при давлении, возникающем внутри контейнера в процессе термообработки и сопутствующего ей формообразования заготовки.
Следовательно, общий объем контейнера определяют из приведенной в п. 1 формулы и прочностных требований.
Объем обрабатываемой заготовки может быть любым, а практически лимитируется конструктивными и прочностными соображениями в отношении контейнера.
Что касается величины формообразования, сопутствующего термообработке, то в известном способе он жестко лимитирован величиной объемного расширения заготовки и формообразующего элемента, а в предложенном способе теоретически не ограничен за счет введения рабочего тела любого объема. Практически же величина формообразования, сопутствующего термообработке, лимитируются только допустимыми габаритами и прочностью контейнера.
Примеры осуществления предложенного способа.
1. Из гладкой заготовки объема V_з = 86400 мм³ из алюминия марки АД-1 ( _з = 24 ^. 10^-6 1/^оС) необходимо изготовить термообработанную шестерню с зубом m = 3,5 мм, что соответствует свободным полостям общим объемом V_п = 9076 мм³. Контейнер с формообразующим элементом и крышкой изготовления из стали марки 14Х17Н2 ( _к.ф. = 10 ^. 10^-6 1/^оС). Температура термообработки алюминия t^o = 470^оС.
По вышеприведенной формуле определяют необходимый объем рабочего тела, выполненного, как и заготовка, из алюминия марки АД-1 ( _р.т. = 24 ^. 10^-61/^оС):
V_рт= = 374000 мм³
Такой объем соответствует, например, цилиндру с диаметром 40 мм длиной 300 мм.
Далее рабочее тело, заготовку и формообразующий элемент помещают в контейнер, закрывают крышкой и нагревают контейнер до температуры t = 470 5^оС, а затем охлаждают его в воде.
За счет разности коэффициентов линейного расширения рабочего тела и контейнера с формообразующим элементом заготовка заполняет полости и при этом подвергается всестороннему сжатию давлением порядка 1000 кг/см², за счет чего она одновременно термообрабатывается и формируется в виде заданной шестерни.
После окончания процесса один и тот же контейнер с формообразующим элементом и рабочим телом может использоваться многократно для обработки последующих аналогичных заготовок с повторением описанных операций.
Пример показывает, что введение рабочего тела позволяет значительно расширить предельные величины формообразования. При обработке предложенным способом, за счет ввода рабочего тела и варьирования его размеров позволяет изготовить термообработанную шестерню с зубом m = 3,5 мм и более, тогда как по известному способу размер зуба m = 2 мм является предельным.
2. Из гладкой заготовки объемом V_з = = 86400 мм³ из нержавеющей стали марки 0Х18Н10Т ( _з = 18 ^. 10^-6 1/^оС) необходимо изготовить аустенизированную шестерню с зубом m = 3,5 мм, что соответствует свободным полостям 5 общим объемом V_п = 9076 мм. Контейнер с формообразующим элементом и крышкой изготовлены из стали марки 14Х17Н2 ( _к.ф. = 10 ^. 10^-61/^оС). Температура термообработки (аустенизации)нержавеющей стали t^o = 950-1150^оС (примем t^о_ср = 1050^о).
По формуле определяют необходимый объем рабочего тела, выполненного, как и в первом примере, из алюминия марки АД-1 ( _р.т. = 24 ^. 10^-6 1/^оC):
V_рт= = 158000 мм³
Такой объем соответствует, например, цилиндру с диаметром 40 мм и длиной 126 мм.
Данный пример наглядно показывает преимущество данного способа перед известным, где существенное формообразование при термообработке (аустенизации) нержавеющих сталей было невозможно вследствие меньшего объемного расширения этого материала, чем алюминия.
В предложенном способе введение рабочего тела, изготовленного из алюминия или любого другого материала с большим, чем у контейнера коэффициентом объемного расширения, устраняет указанный недостаток.
Очевидно, что форма рабочего тела и его размещение по отношению к заготовке могут быть иными, возможно использование одновременно не одного, а нескольких рабочих тел и т. п.
Кроме того, введение одного или нескольких рабочих тел позволяет в широких пределах варьировать размерами формообразования в процессе термообработки, т. е. обеспечивает возможности изготовления из заготовок простой формы (например, гладкого цилиндра) деталей различной конфигурации с высокой точностью - втулки, диска и т. п. сложного профиля. При этом материал заготовок (и соответственно температура термообработки) могут быть различными.
Таким образом, предлагаемый способ решает трудную техническую задачу (изготовление термообработанных деталей сложной конфигурации) простыми средствами и за одну операцию.
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК, включающий нагрев заготовок в контейнере с формообразующим элементом, имеющими коэффициент линейного расширения меньше, чем у заготовки, отличающийся тем, что, с целью обеспечения изготовления деталей сложной конфигурации, в контейнер дополнительно помещают по крайней мере одно рабочее тело, изготовленное из материала с коэффициентом линейного расширения, превышающим коэффициент линейного расширения контейнера и формообразующего элемента, а объем рабочего тела определяют по формуле
V_р.т= ,
где V_р.т - объем рабочего тела, необходимый для получения требуемой величины формообразования, мм³;
V_п - объем пустот формообразующего элемента, мм³;
V_з - объем заготовки, мм³;
t - температура нагрева, ^oС;
_з , _p.т, _к.ф - коэффициенты линейного расширения соответственно заготовки рабочего тела и контейнера с формообразующим элементом, ^oС^-1.